На правах рукописи

Бирюков Алексей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ЦИЛИНДРА ВЫСОКОГО

ДАВЛЕНИЯ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 05.04.12 – Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2011г.

1

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рассохин Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Кирилов Александр Иванович кандидат технических наук Гаев Валерий Дмитриевич Ведущее предприятие: ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники»

Защита состоится «13» декабря 2011 г. в 1600 час. на заседании диссертационного совета Д 212.229.06 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, Главное здание, ауд. 235.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»

Автореферат разослан «» ноября 2011г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.229.06. к.т.н. доцент В.А. Талалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Ведущая роль в производстве электрической энергии принадлежит паротурбинным установкам. Выполнение неравного графика электрической нагрузки обеспечивают пиковые и полупиковые паровые турбины. В рабочем процессе таких турбин важное место занимают отсеки с сопловым парораспределением. Условия работы регулирующей ступени (РС) приводят к значительной окружной неравномерности параметров потока в камере, расположенной за ней, что существенно влияет на экономичность первой нерегулируемой ступени давления (СД) и всего цилиндра высокого давления (ЦВД).

Анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что влияние конструктивных и режимных параметров на работу отсеков с сопловым парораспределением остается недостаточно изученным. Полученные результаты дают основание полагать об имеющемся резерве повышения экономичности указанных отсеков за счет совершенствования их конструкции. Поэтому экспериментальные исследования отсеков с РС являются актуальными и представляют определенный практический интерес.

Объект исследования. Объектами исследования являются:

изолированная парциальная ступень;

парциальная турбинная ступень с расположенной за ней камерой и последующим направляющим аппаратом (НА) ступени давления (СД).

Цель работы:

Повышение экономичности ЦВД паровой турбины за счет совершенствования отсека с сопловым парораспределением.

Задачи исследования :

исследование парциальной ступени в изолированных условиях с целью определения ее эталонных и суммарных характеристик;

исследование влияния межступенчатого расстояния на работу элементов отсека РС – камера – СД;

исследование влияния входной окружной неравномерности, обусловленной парциальным подводом рабочего тела (р.т.), на коэффициент неравномерности и потери энергии в камере с последующем НА СД;

исследование влияния геометрических параметров камеры на уровени окружной неравномерности потока и потерь энергии;

исследование влияния режима работы РС на характер распространения потока в камере.

Для решения поставленных задач потребовалось:

разработать методику экспериментальных исследований и программу обработки опытных данных;

определить интегральные характеристики РС в составе отсека и при работе в изолированных условиях;

исследовать влияние режима работы РС и межступенчатого зазора на характер течения потока в отсеке.

Методы исследования и достоверность полученных результатов Решение поставленных задач выполнялось с использованием разработанной программы проведения экспериментов для изучения суммарных характеристик моделей ступеней в изолированных условиях и при их совместной работе в отсеке, анализа структуры потока в характерных сечениях ступеней и камеры.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных, проведением оценки погрешности измерений, сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

разработана классификация существующих конструкций камер за РС, сделаны обобщения и установлены закономерности их проектирования;

установлено влияния межступенчатого зазора на экономичность работы РС;

обнаружено влияние режима работы РС и межступенчатого зазора на окружную неравномерность параметров р.т. за НА СД.

Практическая значимость работы заключается в том что:

обоснованы и исследованы геометрические и режимные параметры, оказывающие влияние на характер течения потока в отсеке паровой турбины с сопловым парораспределением. Определены их оптимальные значения, позволяющие снизить коэффициент потерь энергии на 40%, неравномерность параметров потока на 35%;

';

разработана, создана и оснащена измерительными системами материальнотехническая база для исследования модельных отсеков паровых турбины малой мощности с сопловым парораспределением.

предложены конструктивные решения построения РС и камеры за ней, позволяющие повысить КПД ЦВД паровых турбин.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых и модернизации эксплуатируемых турбин с сопловым парораспределением.

Личный вклад автора заключается в следующем:

проведение анализа конструкций отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением и составление их классификации;

проведение экспериментальных исследований РС;

проведение исследований течения р.т. в камере за РС при различных вариантах ее конструктивного исполнения;

проведение анализа полученных экспериментальных данных;

разработке конструктивных решений по совершенствованию камеры за РС.

Автор защищает:

результаты теоретических исследований характеристик РС и камеры за ней;

результаты экспериментального исследования течения р.т. на выходе из исследуемого отсека;

результаты влияния режимных и геометрических параметров на характер работы элементов отсека;

решения по совершенствованию конструкции отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

1. Региональная конференция «Достижения молодых учных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 11-13 октября 2010 г.

2. ХVIII Школа семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях» Звенигород 23-27 мая 2011г.

3. Заседание кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ сентябрь 2011.

4. Научно технический семинар на тему «Повышение экономичности цилиндра высокого давления паротурбинной установки малой мощности на основе экспериментальных исследований», СПбГПУ Санкт-Петербург, СПбГПУ, 06.10.2011.

5. III Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск. БГТУ 10-12 октября 2011 года.

Публикации. По результатам диссертационной работы были опубликованы тезисы докладов на различных конференциях, 5 научных статей, в том числе четыре публикации в изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 114 страницах текста и содержит 57 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям ступеней с парциальным подводом р.т., изучению влияния входной неравномерности на работу ступеней давления. Рассмотрены проблемы конструктивного совершенствования отсеков за парциальной ступенью.

По результатам обзорного материала установлены методы экспериментального определения потерь, влияющих на экономичность парциальной ступени. Проанализированы технические решения организации подвода р.т. к РС.

Выполнен анализ методов экспериментального исследования парциальных ступеней и определения их характеристик при различных режимных и конструктивных параметрах. Рассмотрены работы, сделанные на основе численного моделирования.

Обзор литературных данных показал наличие обширного материала, посвященного исследованию работы парциальной ступени. В то же время недостаточно внимания уделено изучению влияния условий работы парциальной ступени на последующие ступени давления.

Отмечено, что большая часть работ, посвященных данной проблеме, была выполнена на базе ХТЗ, БИТМ, МЭИ. В указанных работах отражены наиболее сильные и слабые стороны исследований, обозначены недостаточно хорошо изученные вопросы, возникающие при проектировании отсеков с РС.

На основании литературных данных сформулированы цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлен анализ конструкций турбин малой мощности с сопловым парораспределением. Выполнен обзор схем построения проточных частей турбин, выпускаемых КТЗ, ЛМЗ, ТМЗ. Введены масштабные коэффициенты, позволяющие провести сравнение геометрии камер различных машин. Это позволило определенным образом классифицировать рассмотренные турбины. На основании проведенной классификации сделано сравнение наиболее часто встречаемых вариантов построения камер и получены следующие закономерности:

1. Средний диаметр рабочего колеса РС и средний диаметр направляющего аппарата ступени давления сохраняют свои значения для большинства турбин.

2. Высоты рабочих лопаток РС и направляющих лопаток ступени давления значительно изменяются для разных машин в зависимости от начальных параметров турбины и выбранной степени парциальности.

3. В 40% случаях используются корневые обводы канала, периферийные обводы канала используются реже.

4. Не выявлено закономерности в выборе объема камеры за РС, величина которого имеет широкий диапазон изменения.

5. Осевая ширина камеры за РС, необходимая для выравнивания потока в окружном направлении после парциальной ступени, находится в широких пределах ( z 1...5 )( z lPK PC z, где lPK PC – высота лопатки рабочего колеса РС; z – осевая ширина камеры) при среднем значении коэффициента z 2.

Очевидно, что от величины диаметров РС и СД значительно зависит характер входа потока в ступень давления. При больших углах поворота потока неизбежны потеря кинетической энергии, возникновение отрывных зон в камере за РС, сопровождающихся значительной неравномерностью параметров на входе в СД.

Поэтому для улучшения характера течения к диафрагме СД часто крепят специальные обтекатели и другие устройства.

В отсеках РС-камера-СД расстояние между ступенями z выполняется значительно большим, чем в обыкновенной проточной части. Увеличение этого расстояния позволяет уменьшить неравномерность потока пара на входе в СД, но приводит к возрастанию путевых потерь и увеличению осевых размеров турбины. Поэтому z должен выбираться с учетом указанных факторов. В общем случае из камеры в СД вытекает кольцевая струя пара, характеризующаяся большой неравномерностью и обладающая определенной закруткой, то есть в СД входит неоднородный поток. Характер течения р.т. в камере зависит от конструктивных особенностей РС и условий ее работы. Выходная кинетическая энергия, покидающая РС, как правило, полностью теряется.

Выполненный анализ сравнительно большего числа существующих конструкций отсеков РС-камеры-СД выявил у них ряд существенных недостатков.

Усовершенствование аэродинамических характеристик отсеков РС и их составных частей возможно путем исследования влияния геометрических размеров камеры и режимных параметров работы РС на эффективность работы ступеней давления.

Выполненный анализ существующих работ, связанных с исследованиями отсеков за РС, а также опыт проектирования, используемый на КТЗ, послужил основой при разработке экспериментального стенда и модельного отсека, (рис.1).

В состав экспериментального стенда вошли: 1 – индукторный тормоз; 2 – подводящий патрубок; 3 – термометр; 4 – трубка Пито-Прандтля; 5 – диафрагма РС; 6 – направляющие лопатки РС; 7 – лопатки рабочего колеса РС; 8 – диск рабочего колеса РС; 9 – вал индукторного тормоза; 10, 14 – 5-канальный зонд; 11 – камера за РС; 12 – диафрагма ступени давления; 13 – поворотных механизм для изменения положения зонда; 15 – лопатки НА ступени давления; 16 – периферийный и корневые обводы; 17 – щелевое сопротивления; 18 – специальные устройства для создания парциального подвода. Модельный стенд спроектирован с полным соответствием основным критериям геометрического подобия.

Анализ режимов эксплуатации турбин показал, что регулирующая ступень работает на режимах ниже оптимального x xopt. Реже происходит эксплуатация РС на режимах выше оптимального x xopt. В разработанной методике полностью учитываются режимные параметры работы РС. Предусмотрена система контроля за соблюдением основных аэродинамических критериев подобия. Основные геометрические размеры модельного отсека представлены в таблице.

Диаметр меридионального обвода камм Относительный межступенчатый зазор z – В третьей главе дано описание экспериментальной установки, на которой исследовался модельный отсек, где проводились исследования работы РС и характера течения потока в камере за ней. На модель отсека была установлена современная измерительная аппаратура, позволяющая снимать характеристики работы РС, проводить траверсирование потока в контрольных сечениях.

Схема измерений включала следующие основные приборы:

1. Тахометр ферродинамический дистанционный типа ТСФУ-1 для измерения частоты вращения ротора.

2. Датчики давления для определения усилий на рычаге индукторного тормоза.

3. Мерное нормальное сопло с расположенными на нм датчиками температуры и давления для измерения расхода р.т.

4. Термометры лабораторные ртутные с ценой деления 0,1 С, или хромелькопелевые термопары для измерения температуры р.т.

5. Универсальные координатники, позволяющие отсчитывать в процессе траверсирования локальные направления потока и высоту расположения датчика насадка с точностью 0,5 и 0,510-3 м соответственно.

6. Пневмометрические насадки, применяемые для измерений параметров потока в проточной части модели.

В опытах был принят широко используемый в экспериментальных исследованиях турбомашин способ изменения режимов работы ступени при поддержании постоянным отношения давления на отсек, за счет изменения частоты вращения рабочего колеса.

Для определения суммарных характеристик ступени необходимо располагать осредненными значениями параметров потока в контрольных сечениях. Как было отмечено, условия работы РС приводят к значительной окружной и радиальной неравномерностям потока в камере. С целью получения осредненных параметров р.т. проводилось подробное траверсирование контрольных сечений по радиусу и окружности. Длительность и большой объем работы при измерении полей параметров потока в контрольных сечениях вынуждали проводить эти измерения в отдельных опытах. Вследствие этого процесс опытного определения суммарных характеристик камеры выполнялся в несколько этапов:

1. Проведение экспериментального исследования парциального отсека с целью получения суммарных аэродинамических характеристик его элементов по параметрам потока в контрольных точках.

2. Траверсирование потока в контрольных сечениях (2-1 – за РК РС; 1-2 – за НА СД).

3. Приведение полей параметров потока, полученных при траверсировании, к соответствующему режиму в ходе снятия суммарных характеристик по параметрам в контрольных точках.

4. Осреднение приведенных параметров потока в контрольных сечениях. Метод осреднения был основан на сохранении в осредненном течении интегральных величин расхода рабочего тела G и потоков полной энтальпии I * и энтропии S.

5. Определение эмпирической связи между осредненными параметрами в контрольных сечениях и параметрами потока в контрольных точках, расчет действительных средних значений параметров потока на режимах снятия суммарных характеристик.

6. Расчет искомых действительных суммарных аэродинамических характеристик элементов отсека по действительным средним параметрам потока.

Оценки потери располагаемой кинетической энергии в камере регулирующей ступени рассчитывалась по выражению где p12 – статическое давление за НА СД; p12 – полное давление за НА СД; p21 – полное давление за РК РС.

Неравномерность потока на основе данных траверсирования р.т. рассчитывалась в следующей последовательности:

1. Выполнялся расчет осредненного значения относительного избыточного давления полного торможения где n – число экспериментальных точек.

2. По результатам траверсирования находились две выборки отклонений значений избыточного давления полного торможения 3. Проводилось осреднение избыточного полного давления здесь f – число экспериментальных точек, вошедших в первую выборку; d=n-f – число экспериментальных точек второй выборки.

4. Для количественной оценки степени окружной неравномерности использовался коэффициент неравномерности выходного поля давлений за сопловой решеткой:

После экспериментальных исследований проведена оценка случайных погрешностей. Значение выполненного расчета величин погрешностей результатов исследований показывает удовлетворительную точность опытов и достоверность полученных экспериментальных данных.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы регулирующей ступени и отсека за ней. Как показали результаты опытов, уменьшение относительного межступенчатого зазора (ОМЗ) ниже трех ( z < 3) приводит к падению КПД РС, что наиболее заметно проявляется для полноподводного режима.

Характеристики РС при исследовании в изолированных условиях и при работе в отсеке с камерой при z 3,5 полностью совпадают. При работе РС с камерой при Рис. 2. Относительный КПД РС КПД РС. С уменьшением ОМЗ ( z 2,5 падение коэффициента неравномерности находится в пределах 1…3%. Поэтому для создания равномерного течения следует выполнять камеру с величиной ОМЗ z >2,5.

Коэффициент потерь энергии в камере и последующем направляющем аппарате зависит от режима работы РС, степени ее парциальности и геометрии камеры. При этом на оптимальном режиме увеличение z от 1 до 2 позволяет снизить коэффициент потерь на 35…42% в зависимости от уровня парциальности (рис. 5).

При z >2 происходит наиболее плавное перетекание потока с большего на меньРис. 5. Изменение коэффициента поший диаметр, позволяющее получить терь энергии в зависимости от межступенчатого расстояния для различнаименьший уровень потерь. Однако увеных уровней парциальности:

личение осевой ширины камеры z >3,5 1 – 0,23; 2 – 0,5; 3 – 0, влечет за собой увеличение коэффициента потерь энергии за счет увеличения путевых потерь. Приведенные зависимости сохраняют одинаковый характер для всех исследованных уровней парциальности.

В ходе опытов была установлена зависимость коэффициента потерь энергии от режима работы РС. На рис. 6 представлены графики изменения относительного Рис. 6. Изменение коэффициента потерь энергии при работе РС с =0,23 и межступен- от которой сильно зависит взаичатым расстоянием 2,5 для различных режимодействие основного потока с 1 – КПД; 2 – коэффициент потерь массой газа, заполняющей камеру.

При режиме работы РС х0. При совпадении направлений течения потоков получаем зону наименьших потерь энергии в камере.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментальные исследования показали, что условия работы РС приводят к неравномерности параметров потока в камере за ней. На величину коэффициента неравномерности значительное влияние оказывают: режим работы РС, степень парциальности и межступенчатый зазор.

2. В опытах обнаружено влияние межступенчатого зазора на экономичность РС. При уменьшении ОМЗ z =2…1 КПД РС снизился на 2%.

3. В исследованном отсеке обнаружено различное влияние ОМЗ на потери энергии в камере за РС. При уменьшении ОМЗ ( z 3,5) приводит к росту потерь энергии на 5…7%. В диапазоне z 2...3,5 коэффициент неравномерности давления принимает минимальные значения.

4. Установлено влияние режима работы на уровень потерь энергии в исследуемом отсеке. Как показали опыты, наличие положительной закрутки потока за РК в пределах 8…10% обеспечило снижение потерь энергии на 7…9%.

5. Для повышения экономичности работы РС и последующих ступеней давления следует рекомендовать: